SF6/N2混合氣體中特征分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)研究

曹 駿，袁小芳, 2，馬鳳翔，劉子恩，宋玉梅, 2，李建浩

[1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司 電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022； 2.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230022； 3.朗析儀器(上海)有限公司，上海 201707]

1 前 言

六氟化硫(SF6)氣體以其優(yōu)良的絕緣和滅弧性能被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備中，但其溫室效應(yīng)強(qiáng)，是京都議定書(shū)中禁止排放的6種氣體之一[1]。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，助力國(guó)家早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，減少SF6等溫室氣體的使用和排放勢(shì)在必行。研究發(fā)現(xiàn)，SF6與氮?dú)獍匆欢ū壤旌虾?，其絕緣強(qiáng)度會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，使用低體積分?jǐn)?shù)SF6的SF6/N2混合氣體具有良好的絕緣性能和一定的開(kāi)合能力，并且可以降低對(duì)局部電場(chǎng)畸變的敏感程度、解決SF6氣體的液化問(wèn)題，更能夠減少SF6氣體的排放和使用量[2]。目前，國(guó)網(wǎng)公司已開(kāi)展多個(gè)SF6/N2GIS母線、隔離和接地開(kāi)關(guān)試點(diǎn)工作，產(chǎn)生了極高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

采用SF6/N2混合氣體的設(shè)備在發(fā)生局部放電或過(guò)熱時(shí)也會(huì)激發(fā)混合氣體分解，產(chǎn)生多種氣體分解產(chǎn)物。根據(jù)SF6電氣設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，檢測(cè)及分析這些分解物是電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估和故障診斷的一種重要手段[3]。武漢大學(xué)曾福平[4]和中國(guó)電科院季嚴(yán)松[5]研究了局部放電(partial discharge，PD)以及過(guò)熱(partial over-thermal，POT)情況下SF6/N2(30%/70%)的分解產(chǎn)物，其特征組分包括SOF2、SO2F2、SO2、H2S、CO2、NF3等。相較于強(qiáng)腐蝕性和酸性的SOF2、SO2F2、SO2、H2S，NF3更穩(wěn)定且毒性更低，不易被吸附劑吸附，更適合作為特征分解產(chǎn)物監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)。

目前NF3氣體的檢測(cè)方法包括氣相色譜法、紅外氣體傳感器法以及熱裂解+電化學(xué)氣體檢測(cè)器法[6]。氣相色譜法操作復(fù)雜、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)使用干擾因素較多，且對(duì)檢測(cè)人員要求較高，因此不適合現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)使用。紅外氣體傳感器精度高、選擇性好，但NF3氣體的紅外吸收峰位置在840～960 cm-1和970～1 085 cm-1處[7]，與SF6氣體紅外吸收峰位置重疊[8]，因此，無(wú)法適用于SF6/N2混氣中NF3含量的準(zhǔn)確檢測(cè)。NF3氣體性質(zhì)穩(wěn)定，采用電化學(xué)方法難以直接檢測(cè)，通過(guò)超高溫?zé)崃呀夥椒▽F3氣體轉(zhuǎn)化為氮氧化物，再利用電化學(xué)方法檢測(cè)氮氧化物以此反推NF3氣體含量，實(shí)現(xiàn)SF6/N2混氣中NF3氣體的快速檢測(cè)[9]。因此，本文研究了超高溫裂解+電化學(xué)原理的NF3檢測(cè)裝置在SF6/N2混合氣體系統(tǒng)中的檢測(cè)特性，并研究了NF3傳感器在不同情況下的響應(yīng)特征，為SF6/N2混氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)儀器的研發(fā)提供基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試需求，搭建了標(biāo)準(zhǔn)氣源、配氣系統(tǒng)和熱解單元為一體的測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

2.1.1高溫裂解爐+電化學(xué)傳感器儀器

通過(guò)前期的調(diào)研，尋找到一臺(tái)高溫裂解爐+電化學(xué)傳感器的NF3測(cè)量?jī)x，裝置外觀如圖1所示。儀器主要特點(diǎn)為：1.通過(guò)搭載智能傳感器可檢測(cè)特殊材料氣體、毒性氣體、可燃性氣體、氧氣等；2.通過(guò)更換傳感器，可變更氣體種類；3.采用大型字符LCD，清晰顯示氣體流速、濃度以及泵驅(qū)動(dòng)狀態(tài)等儀器工作情況；4.通過(guò)搭載流量自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，減少了日常點(diǎn)檢的工時(shí)；5.體積小可搬動(dòng)，通過(guò)連接商用電源[AC (100～240)±10% V]可隨處檢測(cè)。

圖1 氣體傳感器測(cè)量?jī)x

2.1.2配氣儀

采用多組分動(dòng)態(tài)配氣校驗(yàn)系統(tǒng)，可配制試驗(yàn)所需各種濃度的氣體，便于對(duì)儀器的準(zhǔn)確性和重復(fù)性等進(jìn)行檢測(cè)。多組分動(dòng)態(tài)配氣校驗(yàn)系統(tǒng)如圖2。

圖2 多組分動(dòng)態(tài)配氣校驗(yàn)系統(tǒng)

2.1.3標(biāo)準(zhǔn)氣源

采用氣體廠家配制的100 μL/L的NF3標(biāo)準(zhǔn)氣源，平衡氣為N2。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1.通過(guò)管路將標(biāo)準(zhǔn)氣源、多組分動(dòng)態(tài)配氣校驗(yàn)系統(tǒng)和氣體傳感器測(cè)量?jī)x連接，再連接尾氣處理系統(tǒng)；2.打開(kāi)氣源、多組分動(dòng)態(tài)配氣校驗(yàn)系統(tǒng)和氣體傳感器測(cè)量?jī)x，預(yù)熱儀器；3.利用多組分動(dòng)態(tài)配氣校驗(yàn)系統(tǒng)配制不同配比的NF3/N2氣體，檢測(cè)氣體傳感器對(duì)NF3氣體的最小檢測(cè)限和重復(fù)性；4.配制混氣比不同的SF6/N2，模擬實(shí)際情況中不同濃度的混氣比對(duì)NF3濃度檢測(cè)造成的影響；5.配制不同濃度的H2S和SO2混氣，模擬設(shè)備故障下分解產(chǎn)物對(duì)NF3濃度檢測(cè)的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體的檢測(cè)試驗(yàn)

用純氮?dú)庀♂屢阎獫舛鹊腘F3(N2)100 μL/L氣體，儀器不同配比濃度下NF3/N2氣體中NF3含量檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同配比濃度NF3/N2氣體中NF3的檢測(cè)數(shù)據(jù)

利用多組分動(dòng)態(tài)配氣校驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)100 μL/L的NF3/N2混合氣體逐級(jí)稀釋，稀釋氣體為純氮?dú)?。分別檢測(cè)25、20、15、10、7、5、3、2、1.5、1、0.8 、0.6、0.5 μL/L濃度NF3氣體，如圖3所示。

圖3 不同配比濃度NF3/N2氣體中NF3的檢測(cè)濃度

檢測(cè)結(jié)果表明，在高濃度下檢測(cè)器準(zhǔn)確度(準(zhǔn)確度=檢測(cè)濃度/實(shí)際配制濃度)為100%，當(dāng)濃度逐漸降低時(shí)，傳感器準(zhǔn)確度逐漸下降，配制濃度為5 μL/L時(shí)，檢測(cè)準(zhǔn)確度為84%；配制濃度為1 μL/L時(shí)，檢測(cè)準(zhǔn)確度僅為60%；配制濃度為0.5 μL/L時(shí)，檢測(cè)準(zhǔn)確度僅為20%，檢測(cè)結(jié)果相較于實(shí)際值偏差較大，但傳感器對(duì)低濃度NF3氣體響應(yīng)良好，且重復(fù)性較好。結(jié)果表明，高濃度氣體檢測(cè)時(shí)，傳感器準(zhǔn)確度較高，低濃度氣體檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)器偏差較大，但仍有響應(yīng)，且整體檢測(cè)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，重復(fù)性好。

3.2 傳感器靈敏度的檢測(cè)試驗(yàn)

響應(yīng)時(shí)間是測(cè)試傳感器性能的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，在高溫?zé)崃呀庋b置裂解溫度為600℃，恒定流量為400 mL/min條件下，在傳感器中通入氣體濃度在5、10、30 μL/L的標(biāo)準(zhǔn)氣體，計(jì)入傳感器輸出的信號(hào)值，如圖4所示。

圖4 NF3傳感裝置響應(yīng)時(shí)間特性曲線

由圖4可以看出，隨著NF3氣體濃度逐漸升高，產(chǎn)生的輸出信號(hào)逐漸加大，傳感裝置的響應(yīng)速度也在逐漸加快。在整個(gè)量程范圍內(nèi)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間也基本在1.5 min內(nèi)，因此在使用時(shí)不需要等待，能夠做到及時(shí)檢測(cè)。

為進(jìn)一步測(cè)試傳感裝置檢測(cè)限，采用從0.1 μL/L的NF3氣體濃度開(kāi)始逐步增加濃度的方法。結(jié)果如圖5所示，當(dāng)氣體濃度增加至0.5 μL/L時(shí)，傳感裝置能夠正常響應(yīng)?？梢宰C明，研制的氣體檢測(cè)裝置最低能夠檢測(cè)到0.5 μL/L的NF3氣體，對(duì)于低濃度的NF3氣體也實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)。

圖5 不同的低濃度NF3氣體對(duì)傳感器的響應(yīng)值

3.3 不同的SF6/N2混氣比對(duì)儀器的性能影響

考慮到SF6氣體可能會(huì)對(duì)NF3檢測(cè)有影響，先通入了純SF6氣體，發(fā)現(xiàn)儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)為0，由此可見(jiàn)，SF6氣體未對(duì)該檢測(cè)儀器造成影響。

目前六氟化硫混合氣體裝置中SF6/N2的混比在3:7左右，配制了SF6/N2混氣在3:7比例下的不同濃度NF3的混氣，用該儀器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)如圖6a所示。從檢測(cè)結(jié)果分析，30%的混氣SF6/N2未對(duì)混氣中NF3的檢測(cè)造成影響，可見(jiàn)傳感器只對(duì)NF3響應(yīng)，不受混合氣體的影響。

為此，還分別配制其他不同比例的混合氣體，研究不同的SF6/N2混氣比對(duì)儀器的性能影響。配制了不同的SF6/N2的混氣比，在10%，15%，20%，25%，30%的混氣比的條件下，探究對(duì)不同濃度NF3的檢測(cè)結(jié)果的影響。結(jié)果如圖6b所示，配制10 μL/L的NF3氣體，分別在SF6/N2混氣比為10%，15%，20%，25%，30%的條件下進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算傳感裝置準(zhǔn)確度(準(zhǔn)確度=檢測(cè)濃度/實(shí)際配制濃度)，不同混氣比例下的NF3濃度的檢測(cè)不受混氣比例的影響。由此可見(jiàn)，傳感器對(duì)NF3氣體的感應(yīng)不受混氣比例的影響，達(dá)到NF3氣體的最小檢測(cè)濃度就可檢測(cè)出NF3氣體。

圖6 (a)30%的SF6/N2的混氣比對(duì)不同濃度的NF3的影響；(b)不同SF6/N2混氣比下檢測(cè)器的準(zhǔn)確度

3.4 不同環(huán)境溫度對(duì)儀器的性能影響

SF6/N2混氣設(shè)備通常位于室外，室外溫度隨季節(jié)、天氣等因素變化較大，為檢測(cè)在不同環(huán)境溫度下儀器檢測(cè)準(zhǔn)確性，通過(guò)配制5 μL/L的NF3，用空調(diào)模擬不同的環(huán)境溫度，分別測(cè)試15、20、25、30°C的不同室溫對(duì)檢測(cè)重復(fù)性的影響，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。在每個(gè)環(huán)境溫度下進(jìn)行4次檢測(cè)，繪制誤差棒圖，結(jié)果顯示，不同的環(huán)境溫度對(duì)傳感器影響較小，對(duì)儀器的檢測(cè)重復(fù)性基本無(wú)影響，檢測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)性良好。環(huán)境溫度對(duì)傳感器基本無(wú)影響的原因可能為傳感器采用熱裂解+電化學(xué)原理檢測(cè)NF3氣體含量，熱裂解溫度為600°C左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫，故使用傳感器時(shí)環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器使用無(wú)影響。

圖7 不同環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響

3.5 不同的分解產(chǎn)物在一定的混氣比下對(duì)傳感器的影響

SF6/N2混氣設(shè)備在正常情況下不會(huì)有其他分解產(chǎn)物，但是在放電或發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生NF3、H2S和SO2等分解產(chǎn)物，為判斷H2S和SO2等分解產(chǎn)物是否對(duì)傳感器的檢測(cè)有影響，在混氣比為30%的SF6/N2混氣條件下，配制一定量的分解產(chǎn)物試驗(yàn)是否會(huì)對(duì)NF3的檢測(cè)造成干擾，這里的NF3配制濃度在2 μL/L，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同的分解產(chǎn)物在一定的混氣比下對(duì)傳感器的影響

不同濃度的H2S、SO2以及H2S+SO2的混合氣體對(duì)混合氣SF6/N2中的2 μL/L的NF3未造成檢測(cè)干擾，這一檢測(cè)對(duì)混合氣體中分解產(chǎn)物的研究具有重大意義。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究超高溫裂解+電化學(xué)原理的NF3檢測(cè)傳感器在SF6/N2混合氣體系統(tǒng)內(nèi)的檢測(cè)特性，對(duì)傳感器靈敏度、檢測(cè)限進(jìn)行分析，該NF3傳感器響應(yīng)時(shí)間小于1.5 min，且最小響應(yīng)濃度為0.5 μL/L。同時(shí)，對(duì)環(huán)境溫度、混氣比例和其他分解產(chǎn)物等可能影響傳感器檢測(cè)準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳感器使用環(huán)境溫度、混合氣體的混合比例和SF6/N2混合氣體中可能存在的不同分解產(chǎn)物未對(duì)NF3的檢測(cè)造成干擾。此項(xiàng)研究對(duì)于六氟化硫混合氣體中的NF3的檢測(cè)研究提供了科學(xué)依據(jù)，具有重大意義。